改變金屬和合金工件表層的化學成分、組織和性能的金屬熱處理。化學熱處理的工藝過程是：將工件置於含有特定介質的容器中，加熱到適當溫度後保溫，使容器中的介質（滲劑）分解或電離，產生滲入元素的活性原子或離子，在保溫過程中不斷地被工件表面吸附，並向工件內部擴散滲入，以改變工件表層的化學成分。通常，在工件表層獲得高硬度、耐磨損和高強度的同時，心部仍保持良好的韌性，使被處理工件具有抗衝擊載荷的能力。每一種化學熱處理工藝都各有其特點。如果需要分別或同時提高耐磨、減摩、抗咬咬死、耐蝕、抗高溫氧化和耐疲勞性能，則根據工件的材質和工作條件選擇相應的化學熱處理工藝。
簡史 化學熱處理是古老的工藝之一，在中國可上溯到西漢時期。已出土的西漢中山靖王劉勝的佩劍，表面含碳量達0.6～0.7％，而心部為0.15～0.4％，具有明顯的滲碳特征。明代宋應星撰《天工開物》一書中，就記載有用豆豉、動物骨炭等作為滲碳劑的軟鋼滲碳工藝。明代方以智在《物理小識》“淬刀”一節中，還記載有“以醬同硝塗鏨口，煅赤淬火”。硝是含氮物質，當有一定的滲氮作用。這說明滲碳、滲氮或碳氮共滲等化學熱處理工藝，早在古代就已被勞動人民所掌握，並作為一種工藝廣泛用於兵器和農具的制作。隨著化學熱處理理論和工藝的逐步完善，自20世紀初開始，化學熱處理已在工業中得到廣泛應用。隨著機械制造和軍事工業的迅速發展，對產品的各種性能指標提出瞭越來越高的要求。除滲碳外，又研究和完善瞭滲氮、碳氮和氮碳共滲、滲鋁、滲鉻、滲硼、滲硫、硫氮和硫氮碳共滲，以及其他多元共滲工藝。電子計算機的問世，使化學熱處理過程的控制日臻完善，不僅生產過程的自動化程度越來越高，工藝參數和處理質量也得到更加可靠的控制。
分類 按滲入元素的性質，化學熱處理可分為滲非金屬和滲金屬兩大類。前者包括滲碳、滲氮、滲硼和多種非金屬元素共滲，如碳氮共滲、氮碳共滲、硫氮共滲、硫氮碳（硫氰）共滲等；後者主要有滲鋁、滲鉻、滲鋅。鈦、鈮、鉭、釩、鎢等也是常用的表面合金化元素。二元、多元滲金屬工藝也日益繁多，如鋁鉻共滲、鉭鉻共滲等均已用於生產。此外，金屬與非金屬元素的二元或多元共滲工藝也不斷湧現，例如鋁矽共滲、硼鉻共滲等。
鋼鐵的化學熱處理可按進行擴散時的基本組織區分為鐵素體化學熱處理和奧氏體化學熱處理。前者的擴散溫度低於鐵氮共析溫度，如滲氮、滲硫、硫氮共滲、氧氮共滲等，這些工藝又可稱為低溫化學熱處理。後者是在臨界溫度以上擴散，如滲碳、滲硼、滲鋁、碳氮共滲等，這些工藝均屬高溫化學熱處理范圍。
滲碳 使碳原子滲入鋼（通常是含碳0.1～0.25％的鋼）制工件表層的化學熱處理工藝。滲碳後，工件表面含碳量一般應高於0.8％，淬火並低溫回火後可達HRC58～62的高硬度，在提高耐磨性的同時，心部能保持相當高的韌性，可承受沖擊載荷，疲勞強度較高。但缺點是處理溫度高，工件畸變大。滲碳工藝廣泛應用於飛機、汽車、機床等的重要零件，如齒輪、軸和凸輪軸等。滲碳是應用最廣、發展得最全面的化學熱處理工藝。用微處理機可實現滲碳全過程的自動化，能控制表面含碳量和碳在滲層中的分佈。
滲氮 使氮原子向金屬工件表層擴散的化學熱處理工藝。鋼鐵滲氮後，形成以氮化物為主的表層。當鋼中含有鉻、鋁、鉬等氮化物形成元素時，可獲得比滲碳層更高的硬度，更高的耐磨、耐蝕和抗疲勞性能。傳統的氣體滲氮工藝周期長、生產率低、耗資大，且對鋼材質量要求嚴格。能克服氣體滲氮周期長的弱點的輝光離子滲氮，已得到較廣的應用。滲氮主要用於對精度、畸變量、疲勞強度和耐磨性要求都很高的工件，例如鏜床主軸、鏜桿，磨床主軸，氣缸套等。
碳氮共滲和氮碳共滲 金屬工件表層同時滲入碳、氮兩種元素的化學熱處理工藝。前者以滲碳為主；後者則以滲氮為主。
①碳氮共滲：這種工藝是針對滲碳溫度高、淬冷畸變大的缺點，在滲碳和滲氮的基礎上發展起來的。早期的碳氮共滲在熔融氰鹽中進行，因氰鹽有劇毒，後漸被氣體法取代。氮的滲入使碳氮共滲層的馬氏體臨界冷卻速度降低，可在較緩和的淬冷介質中淬硬。此外，共滲溫度比滲碳低。與滲碳相比，共滲件淬冷的畸變小，耐磨和耐蝕性高。在滲層厚度大體相當時，共滲件的抗疲勞性能優於滲碳，但共滲層往往較薄，重載工件一般仍采用滲碳。70年代以來，碳氮共滲工藝發展迅速，不僅可用在若幹種汽車、拖拉機零件上，也比較廣泛地用於多種齒輪和軸類的表面強化。
②氮碳共滲：這種工藝是針對滲氮周期長而發展起來的，俗稱軟氮化或低溫碳氮共滲。與氣體滲氮相比，氮碳共滲層同樣有較高的硬度，良好的耐磨、抗疲勞性能，一定的耐蝕、抗咬死性能。它的主要特點是滲速較快，生產周期短，表面脆性小且對工件材質的要求不嚴。不足之處是工件滲層較薄，不宜在高載荷下工作。
滲硼 使硼原子滲入工件表層的化學熱處理工藝。硼在鋼中的溶解度很小，主要是與鐵和鋼中某些合金元素形成硼化物。45鋼滲硼層的硬度高達HV1400～2000，滲硼件的耐磨性高於滲氮和滲碳層，而且有較高的熱穩定性和耐蝕性。滲硼層脆性較大，難以變形和加工，故工件應在滲硼前精加工。這種工藝主要用於中碳鋼、中碳合金結構鋼零件，也用於鈦等有色金屬和合金的表面強化。
滲硼方法有熔鹽法（非電解和電解）、粉末法、膏劑法和氣體法。①熔鹽法：滲硼的介質以硼砂為主，加有適量的還原劑（如碳化矽、鋁粉）和活化劑，還可以添加少量氧化鉻，以降低滲層脆性。滲硼溫度一般為920～950℃，保溫時間為3～5小時。在硼砂為基的熔鹽中插入石墨或不銹鋼電極作為陽極，以工件為陰極，通以直流電可實現電解滲硼。電解法滲硼的速率較高，滲硼溫度可降低到800℃以下，但坩堝壽命短。②粉末法：常用的滲硼劑由碳化硼、硼鐵等供硼劑、氟硼酸鉀等活化劑，另加填充劑組成。工件埋在其中加熱到800～950℃進行滲硼。這種方法應用較廣。③膏劑法：將碳化硼、冰晶石和氟化鈣等破碎為粉末，調以粘結劑塗敷在工件表面，再裝箱或置於還原性氣氛中加熱。這種方法適用於單件、小批量工件滲硼。④氣體法：以具有腐蝕性的三氯化硼或劇毒的乙硼烷為滲劑，滲劑昂貴，故尚未用於生產。在氣體滲硼基礎上發展的離子滲硼，從實驗成果看可降低處理溫度和滲劑消耗量，但尚未用於生產。
滲硼工藝已在承受磨損的磨具、受到磨粒磨損的石油鉆機的鉆頭、煤水泵零件、拖拉機履帶板、在腐蝕介質或較高溫度條件下工作的閥桿、閥座等上獲得應用。但滲硼工藝還存在處理溫度較高、畸變大、熔鹽滲硼件清洗較困難和滲層較脆等缺點。
滲硫 通過硫與金屬工件表面反應而形成薄膜（通常認為中溫滲硫時硫原子才可能滲入表層）的化學熱處理工藝。700℃以下時，硫幾乎完全不溶於α鐵中，因此鋼和鑄鐵的滲硫層主要由極薄的鱗片狀多孔的硫化鐵構成。其硬度較低，但減摩作用良好，能防止摩擦副表面接觸時因摩擦熱和塑性變形而引起的擦傷和咬死。
應用較廣的低溫電解滲硫，在硫氰酸鹽組成的熔鹽中進行，有時添加少量鐵氰化鉀和亞鐵氰化鉀，以改善鹽浴的工藝性能。滲硫工藝條件通常為180～190℃，持續10～20分鐘。
非電解型的低溫熔鹽滲硫，可在加有少量鐵或碘的熔融硫浴中實現。氣體滲硫既可在200℃左右的低溫下，也可在500～600℃的中溫下進行。滲劑是少量硫化氫和大量的載氣。這種方法在生產中尚應用不多。
硫氮共滲和硫氮碳共滲 將硫、氮或硫、氮、碳同時滲入金屬工件表層的化學熱處理工藝。采用滲硫工藝時，滲層減摩性好，但在載荷較高時滲層會很快破壞。采用滲氮或氮碳共滲工藝時，滲層有較好的耐磨、抗疲勞性能，但減摩性欠佳。硫氮或硫氮碳共滲工藝可使工件表層兼具耐磨和減摩等性能。
①硫氮共滲：分為熔鹽法和氣相法。熔鹽法是在由20％NaCl、30％BaCl2、50％CaCl2組成的載體鹽中，添加硫化鐵粉並導入氨氣，在此介質中進行硫氮共滲。氣體法是同時向反應罐中通入大量氨氣(或吸熱型氣氛與氨)和少量硫化氫（或二氧化硫）來實現的。②熔鹽硫氮碳（硫氰）共滲：早年采用劇毒的高氰鹽浴，70年代中期提出的無污染硫氰共滲工藝，受到人們重視。氣體硫氮碳共滲可用多種滲劑，通常是同時向爐中滴註含硫的有機溶劑和通氨。預先經過滲氮或滲碳、淬火後再滲硫，能使工件既耐磨減摩又有較高疲勞強度。
滲金屬 將一種或數種金屬元素滲入金屬工件表層的化學熱處理工藝。金屬元素可同時或先後以不同方法滲入。在滲層中，它們大多以金屬間化合物的形式存在，能分別提高工件表層的耐磨、耐蝕、抗高溫氧化等性能。通用的滲金屬工藝有滲鋁、滲鉻、滲鋅等。
發展趨勢 化學熱處理的發展趨勢是：①擴大低溫化學熱處理的應用。離子滲氮、氮碳共滲、硫氮共滲、硫氮碳共滲等鐵素體化學熱處理將獲得迅速發展。某些高溫化學熱處理工藝（如滲硼）也有向低溫發展的趨勢。②提高滲層質量和加速化學熱處理過程。如采用多元共滲化學催滲和物理場強化；研制適應常用化學熱處理工藝的專用鋼(如快速滲氮鋼)。③發展無污染化學熱處理工藝和復合滲工藝。如低氰熔鹽氮碳共滲後，再在低溫浴中氧化掉氰鹽；擴大無污染硫氮碳共滲工藝的應用；研究和應用各種氧氮或氧硫氮復合處理，以及氮化後高頻淬火等工藝。④用計算機控制多種化學熱處理過程，建立相應的數學模型，研制各種介質中適用的傳感器和外接儀表、設備。
參考書目
王國佐、王萬智：《鋼的化學熱處理》，中國鐵道出版社，北京，1980。